抗寒蛋白及其编码基因与应用.pdf

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摘要
申请专利号:

CN200810226515.8

申请日:

20081113

公开号:

CN101402679B

公开日:

20120125

当前法律状态:

有效性:

失效

法律详情:

IPC分类号:

C07K14/435,C12N15/12,C12N15/63,C12N5/10,C12N1/15,C12N1/19,C12N1/21,A01H1/00,A01K67/00

主分类号:

C07K14/435,C12N15/12,C12N15/63,C12N5/10,C12N1/15,C12N1/19,C12N1/21,A01H1/00,A01K67/00

申请人:

中国科学院遗传与发育生物学研究所

发明人:

陈良标,王道文,胡鹏,冯波,许广会

地址:

100101 北京市朝阳区大屯路中科院遗传所

优先权:

CN200810226515A

专利代理机构:

北京纪凯知识产权代理有限公司

代理人:

关畅

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内容摘要

本发明公开了一种抗寒蛋白及其编码基因与应用。该蛋白,是具有下述氨基酸残基序列之一的蛋白质:1)序列表中的SEQ?ID?№:2;2)将序列表中SEQ?ID?№:2的氨基酸残基序列经过一个或几个氨基酸残基的取代和/或缺失和/或添加且具有抗寒活性的蛋白质。本发明的抗寒基因具有抗寒功能,可转入植物中提高植物的抗寒性,对改善植物,特别是粮食和经济作物的耐寒品质,提高其抵抗自然低温灾害的能力对我们经济发展有着重要的现实意义。

权利要求书

1.一种抗寒蛋白,是由序列表中SEQ ID №.2的氨基酸残基序列组成的蛋白质。 2.权利要求1所述的抗寒蛋白的编码基因。 3.根据权利要求2所述的编码基因,其特征在于:所述抗寒蛋白的cDNA基因为序列表中SEQ ID №:1的核苷酸序列。 4.含有权利要求2或3所述的抗寒蛋白的编码基因的重组表达载体。 5.含有权利要求2或3所述的抗寒蛋白的编码基因的转基因细胞系。 6.含有权利要求2或3所述的抗寒蛋白的编码基因的宿主菌。 7.权利要求1所述的抗寒蛋白在提高植物抗寒性中的应用,所述植物为烟草。 8.权利要求2或3所述的抗寒蛋白的编码基因在提高植物抗寒性中的应用,所述植物为烟草。

说明书

技术领域

本发明涉及一种抗寒蛋白及其编码基因与应用,特别涉及一种来源于南极鱼的 耐寒蛋白及其编码基因,与它们在提高植物抗寒性中的应用。

背景技术

南极鱼是已知的最耐寒的鱼类,其细胞可以在-1℃~-2℃的低温中完成包括个 体发育在内的所有生命活动,寒冷环境下进化形成的基因组编码了低温下生存所需 的所有功能分子,是重要的基因资源(Gordon,A.L.2003.Oceanography:The brawniest retroflection.Nature 421:904-905)。因此,对生活在不同温度环境下的南极 鱼类基因组的比较分析,以及相关基因的克隆鉴定、功能分析及其作用机制研究, 有助于我们理解南极鱼类在0℃以下这样极端的低温环境下生存的机制。生活在南 极的鱼类表现出了一系列与抗寒相关的生理和生化性状,如抗冻蛋白的进化 (DeVries,A.L.1971.Glycoproteins as biological antifreeze agents in antarctic fishes. Science 172:1152-1155;Cheng,A.L.D.a.C.-H.C.2005.Antifreeze Proteins and Organismal Freezing Avoidance in Polar Fishes.Fish Physiology 22:155-201;De Vries, A.L.C.,C.-H.C.2005.Antifreeze proteins and organismal freezing avoidance in polar fishes.fish physiology seriesThe physiology of polar fishes(eds.Farrell,A.P.& Steffenson,J.F.).San Diego,CA:Elsevier Academic Press 22:155-201)、热休克应答 (the heat-shock response,HSR)的缺失(Hofmann,G.E.,Buckley,B.A.,Airaksinen, S.,Keen,J.E.,Somero,G.N.,2000.2000.Heat-shock protein expression is absent in the Antarctic fish Trematomus bernacchii(Family Nototheniidae).J.Exp.Biol. 203:2331-2339),血液中红血球大量减少甚至消失(Verde,C.,E.Parisi,and G.di Prisco.2006.The evolution of thermal adaptation in polar fish.Gene 385:137-145),肌 纤维的数目减少,直径却增大等等。那么这些低温适应的分子基础是什么?在几千 万年的寒冷筛选后,鱼类产生了哪些功能上特异抗寒的基因?

冷暖空气的活动是天气变化的基本原因之一。在特定的天气形势下,聚积在高 纬度地区的强冷空气迅速南下,入侵我国,造成大范围的剧烈降温,并伴有大风、 雨雪、冻害等现象,这类天气过程称为寒潮或强冷空气,由此所造成的损失称为寒 潮与冷冻灾害。寒冷的气候会造成农作物的大量减产,在美国,每年由于寒冷而导 致农业经济损失达几十亿美元,例如1998年12月份,加利福尼亚州由于冰冻灾害 而柑橘大面积死亡,直接经济损失达5亿9千万美元。在中国每年平均有6—7亿亩 农田蒙受寒冷的气候的危害,粮食减收200亿公斤(中国可持续发展信息网 2003.10.13)。若能利用已发现的抗寒基因培育出新型的具有抗寒的转基因植物,能 够使转基因农作物具有更强的耐寒能力,在室外温度突然下降的情况下保持其生理 活性,从而使农作物免受寒冷的灾害。

发明内容

本发明的目的是提供一种抗寒蛋白及其编码基因与应用。

本发明所提供的抗寒蛋白,名称为SOD,来源于南极鳕鱼(Dissostichus mawsoni),是具有下述氨基酸残基序列之一的蛋白质:

1)自序列表中的SEQ ID №.2的氨基端残基序列;

2)将自序列表中的SEQ ID №.2的氨基端残基序列经过一个或几个氨基酸残基 的取代和/或缺失和/或添加且具有抗寒活性的蛋白质。

其中,序列表中的序列2由154个氨基酸残基组成。

所述一个或几个氨基酸残基的取代和/或缺失和/或添加是指不多于十个氨基酸 残基的取代和/或缺失和/或添加。

为了使1)中的SOD便于纯化,可在由序列表中序列2所示的氨基酸序列 组成的蛋白质的N端或C端连接上如表1所示的标签。

表1.标签的序列

 标签残基序列Poly-Arg5-6(通常为5个)RRRRRPoly-His2-10(通常为6个)HHHHHHFLAG8DYKDDDDKStrep-tag错误! 未找到引用源。8 WSHPQFEK

 c-myc10EQKLISEEDL

上述2)中的SOD可人工合成,也可先合成其编码基因,再进行生物表达得到。 上述2)中的SOD的编码基因可通过将序列表中SEQ ID №:1的DNA序列中缺失 一个或几个编码氨基酸残基的密码子,和/或进行一个或几个碱基对的错义突变,和 /或在其5'端和/或3'端连上表1所示的标签的编码序列得到。

为了便于蛋白的分泌表达,还可在所述SOD的氨基末端添加上信号肽序列。

上述抗寒蛋白的编码基因(Gene2_SOD)也属于本发明的保护范围。

上述抗寒蛋白的cDNA基因,可具有下述核苷酸序列之一:

1)序列表中SEQ ID №:1的核苷酸序列;

2)编码序列表中SEQ ID №:2蛋白质序列的多核苷酸;

3)在高严谨条件下可与序列表中SEQ ID №:1限定的DNA序列杂交的核苷酸 序列。

上述高严谨条件可为在0.1×SSPE(或0.1×SSC),0.1%SDS的溶液中,在65℃ 下杂交并洗膜。

其中,序列表中的SEQ ID №:1由465个脱氧核苷酸组成。自序列表中SEQ ID №:1的5’端的第1至465位核苷酸为Gene2_SOD的开放阅读框(Open Reading Frame, ORF),序列表中序列1编码序列表中序列2的核苷酸序列。

含有本发明基因的重组表达载体、转基因细胞系及宿主菌均属于本发明的保护 范围。

本发明的抗寒基因以南极鳕鱼(Dissostichus mawsoni)这个特殊的物种为研究材 料,利用cDNA文库的构建和测序的技术发现并利用RT-PCR的方法获得全长序列。 将本发明的抗寒基因转入烟草中,获得了可稳定表达本发明的抗寒基因的转基因烟 草,经过低温实验表明,转入本发明抗寒基因的烟草在低温(4℃)下生长20天仍 保持旺盛的生长状态,没有萎蔫,证实本发明的抗寒基因具有抗寒功能,可转入植 物中提高植物的抗寒性。对改善植物,特别是粮食和经济作物的耐寒品质,提高其 抵抗自然低温灾害的能力对我们经济发展有着重要的现实意义。

附图说明

图1为pCAPE3的结构示意图。

图2为野生型植株荧光鉴定照片。

图3为转pCAPE3烟草植株荧光鉴定。

图4为转基因烟草RT-PCR鉴定电泳图。

图5为4℃处理20天的转pCAPE-SOD烟草和对照的表型。

图6为23℃恢复生长15天表型的转pCAPE-SOD烟草和对照的表型。

图7为图7为正常培养30天和在4度处理20天转pCAPE-SOD烟草和对照的 Fv/Fm值。

具体实施方式

下述实施例中的实验方法,如无特别说明,均为常规方法。

下述实施例中的百分含量,如无特别说明,均为质量百分含量。

实施例1、抗寒基因及其编码蛋白的获得及其抗寒应用

一、本发明的抗寒基因及其编码蛋白的获得

本发明的发明人通过构建了南极鳕鱼(Dissostichus mawsoni)的cDNA文库, 并对该文库的EST序列进行了大规模测序,最后通过序列拼接和BLAST分析得到 了一系列感兴趣的基因,并对其中一个可能具有抗寒功能的基因进行分析研究,并 按照下述方法获得该基因的序列。

设计扩增引物,引物序列如下所示:

上游引物SOD_F:5'-CGCGAGCTCATGGTTATGAAAGCTGTGTG-3'(下 划线标注的是SacI酶识别位点);

下游引物SOD_R:5'-CGCGAATTCTTACTGGGCGATGCCGATG-3'(下划 线标注的是EcoRI酶识别位点)。

利用TRIZOL试剂提取南极鳕鱼(Dissostichus mawsoni)(Karl-Hermann Kockl,Keith Reid,John Croxall and Stephen Nicol 2007 Fisheries in the Southern Ocean: an ecosystem approach Phil.Trans.R.Soc.B 362,2333-2349,中国科学院遗传与发育 生物学研究所)的肝脏RNA,以此RNA为模板,反转录得到第一链cDNA,反转 录具体方法如下所述:

在EP管中加入Random Primers 1.0μl(100ng),南极鳕鱼(Dissostichus mawsoni)的肝脏RNA 2.0μl(5μg),dNTP mix(10mM)1.0μl,水(RNA-free) 8.0μl;在65℃温育5min,至于冰上5min,然后加入5×first-strand Buffer 4.0μl, DTT(0.1M) 2.0μl,Rnaseout(40U/μl) 1.0μl,混匀后,25℃放置2min;加入 1.0μl SuperSeripteII RT轻轻混匀,25℃下放置10min。将混合物置于42℃反应 50min,置于70℃下加热15min终止反应,即得第一链cDNA。

以此cDNA为模板,在引物SOD_F和引物SOD_R的引导下,用常规PCR法 扩增抗寒基因的cDNA序列。

其中,反应体系(50μl体系)为上述获得的含第一链cDNA的反应液2μl, 10×buffer5μl,dNTP混合液(25mM)2μl,SOD_F(10μM)2μl,SOD_R(10 μM)2μl,Taq DNA聚合酶(2.5U/μl)0.5μl,灭菌水36.5μl。

反应程序为:95℃预变性5min;然后95℃变性30s,56℃退火30s,72℃延 伸1min进行35个循环;最后72℃延伸10min,4℃下保存。

反应结束后,对PCR扩增产物进行1%琼脂糖凝胶电泳检测,回收并纯化得到 465bp的DNA片段,将该片段进行测序,结果表明,PCR扩增得到的片段具有序列 表中序列1的核苷酸序列,将其命名为Gene2_SOD。序列表中序列1的核苷酸序列 是由465个脱氧核苷酸组成,自序列表中序列1的5'端第1-465位核苷酸序列为 编码序列(ORF),编码具有序列表中序列2的氨基酸残基序列的蛋白质。将该蛋白 命名为SOD。

二、利用本发明的抗寒基因及其编码蛋白提高植物抗寒性的应用

1、可在植物中表达本发明的抗寒基因的重组表达载体的构建

将pCAPE2来自PEBV-VIGS载体系统(由两个T-DNA质粒(pCAPE1,pCAPE2) 组成),Constantin,G.D.,B.N.Krath,S.A.MacFarlane,M.Nicolaisen,I.E.Johansen, and O.S.Lund.2004.Virus-induced gene silencing as a tool for functional genomics in a legume species.Plant J 40:622-631;中国科学院遗传与发育生物学研究所)进行了改 造,增加了MluI、EcoRI、SalI、SacI、NcoI酶识别位点。具体的改造方法为:合成 含有上述酶切位点的核苷酸片段 CACCATGGCTAGCACGCGTCCTGAGCTCATGGTGAGCAAGGGCGA,将该片段 插入到pCAPE2的NcoI和EcoRI酶切位点之间,得到重组质粒。将鉴定正确的增加 了MluI、EcoRI、SalI、SacI、NcoI酶识别位点的重组质粒命名为pCAPE3(其结构 示意图如图1所示)。

按照步骤一的方法扩增Gene2_SOD基因,然后用SacI和EcoRI双酶切后,将 酶切得到Gene2_SOD基因片段插入到pCAPE3的SacI和EcoRI酶切位点之间得到 重组载体,将该重组载体进行酶切和测序鉴定,将鉴定正确的含有Gene2_SOD基因 片段的重组载体命名为pCAPE-SOD。

2、利用本发明的抗寒基因及其编码蛋白提高烟草抗寒性

1)转pCAPE-SOD烟草的获得

分别pCAPE1、pCAPE3,及pCAPE-SOD转农杆菌GV3101(购自promega公 司)后,鉴别,挑取转化成功的克隆,划线28℃培养过夜,提取质粒进行酶切和测 序鉴定,将鉴定表明正确的含有pCAPE1的工程菌株命名为GV-pCAPE1,将鉴定表 明正确的含有Pcape3的工程菌株命名为GV-pCAPE3,将鉴定正确的含有 pCAPE-SOD的工程菌株命名为GV-pCAPE-SOD;

挑取上述GV-pCAPE1、GV-pCAPE3或GV-pCAPE-SOD分别接种到5ml添加 50mg/L利福平(Rif)和50mg/L卡那霉素(Kana)的LB培养基中28℃培养过夜;然 后将培养过夜的菌液分别转接到50ml添加50mg/L利福平(Rif)、50mg/L卡那霉 素(Kana)、20μM乙酰丁香酮(Acetosyringone)和10mM2-(N-吗啉)乙磺酸(MES) 的LB培养基中,28℃培养过夜;

离心收集上述GV-pCAPE1、GV-pCAPE3或GV-pCAPE-SOD菌液,然后重悬 在添加了10mM MgCl2、10mM2-(N-吗啉)乙磺酸(MES)+200μM乙酰丁香酮 (Acetosyringone)的LB培养基中,调OD600=2.0,在室温下静置3小时得到OD600为2.0的GV-pCAPE1、GV-pCAPE3或GV-pCAPE-SOD菌液。

将上述获得的OD600为2.0的GV-pCAPE1菌液分别与GV-pCAPE3菌液或 GV-pCAPE-SOD菌液按照1:1的体积比混合,得到GV-pCAPE1与GV-pCAPE3 的混合菌液和GV-pCAPE1与GV-pCAPE-SOD的混合菌液。

将本氏烟(Nicotiana benthamiana,购自中国农业科学院烟草研究所)播种于蛭 石中,在25℃培养间内,16小时光照,8小时黑暗培养,长到5-6片展开叶时用于 农杆菌注射。将上述得到的GV-pCAPE1与GV-pCAPE3的混合菌液或者GV-pCAPE1 与GV-pCAPE-SOD的混合菌液分别注射上述5-6片展开叶的烟草,注射时要注射近 轴端的嫩叶。将注射后的烟草于23度,40%湿度,16小时光照/8小时黑暗温室下 培养25天得到转pCAPE-SOD烟草或转pCAPE3烟草。

2)转pCAPE-SOD烟草的鉴定

A、转pCAPE3烟草的鉴定

将步骤1)得到的转pCAPE3烟草进行表达情况荧光鉴定,具体方法为:取1 平方厘米转pCAPE3烟草和野生型烟草本氏烟(Nicotiana benthamiana)(作为野生 型对照,WT)叶片,的烟草叶片,置于盖玻片上,滴蒸馏水一滴,压片,置于激光 共聚焦显微镜下观察,转入pCAPE3和pCAPE1的阳性植株在激光共聚焦显微镜的 470nm激发下显示绿色荧光;同时用激光共聚焦显微镜观察转pCAPE3烟草和野生 型烟草本氏烟(Nicotiana benthamiana)的叶绿体荧光作为对照。结果如图2和图3 所示,结果表明有6株转pCAPE3烟草全部为成功转入pCAPE3和pCAPE1并且可 在烟草中正常表达的转基因烟草。图2中,A为野生型烟草的GFP荧光照片,B为 野生型烟草的叶绿体荧光照片,C为A和B所示荧光的重叠。图3中,A为转pCAPE3 烟草的GFP荧光照片,B为转pCAPE3烟草的叶绿体荧光照片,C为A和B所示 荧光的重叠。

B、转pCAPE-SOD烟草的鉴定

将上述步骤1)得到的转pCAPE-SOD烟草通过RT-PCR的鉴定,RT-PCR的引 物为:

上游引物SOD-up:TGTTGAAAGGAGCTGGAGAGGC;

下游引物SOD-down:TACTGGGCGATGCCGATGACT。

以步骤1)获得的转pCAPE-SOD烟草的第一链cDNA模板为模板进行PCR扩 增反应。同时以26S rRNA作为对照,PCR扩增引物为5’端上游引物 为:GAAGAAGGTCCCAAGGGTTC;3’端下游引物为:TCTCCCTTTAACACCAACGG。

其中,反应体系(50μl体系)为含转pCAPE-SOD烟草的第一链cDNA的反应 液2μl,10×buffer 5μl,dNTP混合液(25mM)2μl,SOD-up(10μg/L)2μl, SOD_down(10μg/L)2μl,Taq DNA聚合酶(2.5U/μl)0.5μl,灭菌水 36.5μl。

反应程序为:95℃预变性5min;然后95℃变性30s,56℃退火30s,72℃延伸 1min进行35个循环;最后72℃延伸10min,4℃下保存。

反应结束后,对PCR扩增产物进行1%琼脂糖凝胶电泳检测,440bp的DNA片 段即是目标片段。

结果如图4所示,结果表明6株转pCAPE-SOD烟草中Gene2_SOD基因已全部 成功通过pCAPE-SOD转入烟草中并在转pCAPE-SOD烟草中正常表达。

3、转pCAPE-SOD烟草的抗寒性鉴定

将步骤2鉴定阳性的转pCAPE3烟草(对照)、转pCAPE-SOD烟草和烟草本 氏烟(Nicotiana benthamiana,购自中国农业科学院烟草研究所)的种子萌发后生长 25天,然后分别置于4℃,16h光照/8h黑暗,生长20天,然后再23℃,16h光照 /8h黑暗,恢复生长15天,同时设置在23℃,16h光照/8h黑暗的条件下生长,其余 条件于上述相同的转pCAPE3烟草(对照)、转pCAPE-SOD烟草和野生型烟草作 为阳性对照。在培养的过程中对植株进行表型观察。如图5所示,转基因烟草在4 ℃,16h光照/8h黑暗,生长20天后,对照组植株(转pCAPE3烟草,图5中对照) 有明显的冷伤害的表型,植株精干弯曲,叶片萎靡,而转pCAPE-SOD烟草(图5 中Gene2_SOD)则在4℃低温处理后生长依旧良好,低温处理并没有导致其有不良 反应。在植株4℃冷处理20天后,置于23℃,16h光照/8h黑暗,恢复生长15天后 其表型如图6所示,可以看到,对照组植物(图6中对照)在冷处理受到低温伤害 后再置于正常温度下培养,依旧不能恢复到正常的生长状态,说明4℃的低温处理 对烟草的伤害是永久性的,不可恢复的,而转pCAPE-SOD烟草(图6中Gene2_SOD), 4℃冷处理20天后,置于23℃恢复生长15天后,植株能够继续正常生长发育,没 有表现出任何低温所造成的伤害性状。

为了进一步证实转基因植株的抗寒能力,我们进一步测定了上述转pCAPE-SOD 烟草在正常培养30天和在4度处理20天的光合作用系统II光化学效率(Fv/Fm)这一 生理指标(Tarantino,D.,Vianelli,A.,Carraro,L.and Soave,C.(1999)A nuclear mutant of Arabidropsis thaliana selected for enhanced sensitivity to light-chill stress is altered in PS II electron transport activity.Physiol.Plant.107,361-371.),以转pCAPE3烟草为 对照。结果如图7所示,实验数据表明对照组植株的FV/Fm下降明显,而转 pCAPE-SOD烟草植株FV/Fm下降很小,说明实验组转Gene2_SOD烟草植株对低温 有明显的抗性。表明Gene2_SOD具有抗寒的功能。

序列表

<160)2

<210>1

<211>465

<212>DNA

<213>南极鳕鱼(Dissostichus mawsoni)

<400>1

<210>2

<211>154

<212>PRT

<213>南极鳕鱼(Dissostichus mawsoni)

<400>2

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1、(10)授权公告号 CN 101402679 B (45)授权公告日 2012.01.25 CN 101402679 B *CN101402679B* (21)申请号 200810226515.8 (22)申请日 2008.11.13 C07K 14/435(2006.01) C12N 15/12(2006.01) C12N 15/63(2006.01) C12N 5/10(2006.01) C12N 1/15(2006.01) C12N 1/19(2006.01) C12N 1/21(2006.01) A01H 1/00(2006.01) A01K 67/00(2006.01) (73)专利。

2、权人 中国科学院遗传与发育生物学研 究所 地址 100101 北京市朝阳区大屯路中科院遗 传所 (72)发明人 陈良标 王道文 胡鹏 冯波 许广会 (74)专利代理机构 北京纪凯知识产权代理有限 公司 11245 代理人 关畅 (54) 发明名称 抗寒蛋白及其编码基因与应用 (57) 摘要 本发明公开了一种抗寒蛋白及其编码基因与 应用。 该蛋白, 是具有下述氨基酸残基序列之一的 蛋白质 : 1) 序列表中的 SEQ ID : 2 ; 2) 将序列 表中 SEQ ID : 2 的氨基酸残基序列经过一个或 几个氨基酸残基的取代和 / 或缺失和 / 或添加且 具有抗寒活性的蛋白质。本发明的抗寒基因具。

3、有 抗寒功能, 可转入植物中提高植物的抗寒性, 对改 善植物, 特别是粮食和经济作物的耐寒品质, 提高 其抵抗自然低温灾害的能力对我们经济发展有着 重要的现实意义。 (51)Int.Cl. 审查员 曲凯 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 权利要求书 1 页 说明书 8 页 附图 3 页 CN 101402679 B1/1 页 2 1. 一种抗寒蛋白, 是由序列表中 SEQ ID .2 的氨基酸残基序列组成的蛋白质。 2. 权利要求 1 所述的抗寒蛋白的编码基因。 3. 根据权利要求 2 所述的编码基因, 其特征在于 : 所述抗寒蛋白的 cDNA 基因为序列表 中 SEQ 。

4、ID : 1 的核苷酸序列。 4. 含有权利要求 2 或 3 所述的抗寒蛋白的编码基因的重组表达载体。 5. 含有权利要求 2 或 3 所述的抗寒蛋白的编码基因的转基因细胞系。 6. 含有权利要求 2 或 3 所述的抗寒蛋白的编码基因的宿主菌。 7. 权利要求 1 所述的抗寒蛋白在提高植物抗寒性中的应用, 所述植物为烟草。 8. 权利要求 2 或 3 所述的抗寒蛋白的编码基因在提高植物抗寒性中的应用, 所述植物 为烟草。 权 利 要 求 书 CN 101402679 B1/8 页 3 抗寒蛋白及其编码基因与应用 技术领域 0001 本发明涉及一种抗寒蛋白及其编码基因与应用, 特别涉及一种来源于。

5、南极鱼的耐 寒蛋白及其编码基因, 与它们在提高植物抗寒性中的应用。 背景技术 0002 南极鱼是已知的最耐寒的鱼类, 其细胞可以在 -1 -2的低温中完成包括 个体发育在内的所有生命活动, 寒冷环境下进化形成的基因组编码了低温下生存所需 的所有功能分子, 是重要的基因资源 (Gordon, A.L.2003.Oceanography : Thebrawniest retroflection.Nature 421 : 904-905)。因此, 对生活在不同温度环境下的南极鱼类 基因组的比较分析, 以及相关基因的克隆鉴定、 功能分析及其作用机制研究, 有助于我 们理解南极鱼类在 0以下这样极端的低。

6、温环境下生存的机制。生活在南极的鱼类表 现出了一系列与抗寒相关的生理和生化性状, 如抗冻蛋白的进化 (DeVries, A.L.1971. Glycoproteins as biological antifreeze agents in antarctic fishes.Science 172 : 1152-1155 ; Cheng, A.L.D.a.C.-H.C.2005.Antifreeze Proteins andOrganismal Freezing Avoidance in Polar Fishes.Fish Physiology 22 : 155-201 ; De Vries, A。

7、.L.C., C.-H.C.2005.Antifreeze proteins and organismal freezing avoidance in polarfishes.fish physiology seriesThe physiology of polar fishes(eds.Farrell, A.P.&Steffenson, J.F.).San Diego, CA : Elsevier Academic Press 22 : 155-201)、 热 休 克 应 答 (the heat-shock response, HSR) 的 缺 失 (Hofmann, G.E., Buckl。

8、ey, B.A., Airaksinen, S., Keen, J.E., Somero, G.N., 2000.2000.Heat-shock protein expression is absent in theAntarctic fish Trematomus bernacchii(Family Nototheniidae). J.Exp.Biol.203 : 2331-2339), 血液中红血球大量减少甚至消失 (Verde, C., E.Parisi, and G.diPrisco.2006.The evolution of thermal adaptation in polar f。

9、ish.Gene 385 : 137-145), 肌纤维的数目减少, 直径却增大等等。 那么这些低温适应的分子基础是什么?在 几千万年的寒冷筛选后, 鱼类产生了哪些功能上特异抗寒的基因? 0003 冷暖空气的活动是天气变化的基本原因之一。在特定的天气形势下, 聚积在高纬 度地区的强冷空气迅速南下, 入侵我国, 造成大范围的剧烈降温, 并伴有大风、 雨雪、 冻害等 现象, 这类天气过程称为寒潮或强冷空气, 由此所造成的损失称为寒潮与冷冻灾害。 寒冷的 气候会造成农作物的大量减产, 在美国, 每年由于寒冷而导致农业经济损失达几十亿美元, 例如 1998 年 12 月份, 加利福尼亚州由于冰冻灾害而。

10、柑橘大面积死亡, 直接经济损失达 5 亿 9 千万美元。在中国每年平均有 67 亿亩农田蒙受寒冷的气候的危害, 粮食减收 200 亿公 斤 ( 中国可持续发展信息网 2003.10.13)。若能利用已发现的抗寒基因培育出新型的具有 抗寒的转基因植物, 能够使转基因农作物具有更强的耐寒能力, 在室外温度突然下降的情 况下保持其生理活性, 从而使农作物免受寒冷的灾害。 发明内容 说 明 书 CN 101402679 B2/8 页 4 0004 本发明的目的是提供一种抗寒蛋白及其编码基因与应用。 0005 本发明所提供的抗寒蛋白, 名称为SOD, 来源于南极鳕鱼(Dissostichusmawson。

11、i), 是具有下述氨基酸残基序列之一的蛋白质 : 0006 1) 自序列表中的 SEQ ID .2 的氨基端残基序列 ; 0007 2) 将自序列表中的 SEQ ID .2 的氨基端残基序列经过一个或几个氨基酸残基 的取代和 / 或缺失和 / 或添加且具有抗寒活性的蛋白质。 0008 其中, 序列表中的序列 2 由 154 个氨基酸残基组成。 0009 所述一个或几个氨基酸残基的取代和/或缺失和/或添加是指不多于十个氨基酸 残基的取代和 / 或缺失和 / 或添加。 0010 为了使 1) 中的 SOD 便于纯化, 可在由序列表中序列 2 所示的氨基酸序列组成的蛋 白质的 N 端或 C 端连接上。

12、如表 1 所示的标签。 0011 表 1. 标签的序列 0012 标签残基序列 Poly-Arg5-6( 通常为 5 个 )RRRRR Poly-His2-10( 通常为 6 个 )HHHHHH FLAG8DYKDDDDK Strep-tag 错误! 未找到引用源。 8WSHPQFEK c-myc10EQKLISEEDL 0013 上述 2) 中的 SOD 可人工合成, 也可先合成其编码基因, 再进行生物表达得到。上 述 2) 中的 SOD 的编码基因可通过将序列表中 SEQ ID : 1 的 DNA 序列中缺失一个或几个 编码氨基酸残基的密码子, 和 / 或进行一个或几个碱基对的错义突变, 。

13、和 / 或在其 5 端和 / 或 3 端连上表 1 所示的标签的编码序列得到。 0014 为了便于蛋白的分泌表达, 还可在所述 SOD 的氨基末端添加上信号肽序列。 0015 上述抗寒蛋白的编码基因 (Gene2_SOD) 也属于本发明的保护范围。 0016 上述抗寒蛋白的 cDNA 基因, 可具有下述核苷酸序列之一 : 0017 1) 序列表中 SEQ ID : 1 的核苷酸序列 ; 0018 2) 编码序列表中 SEQ ID : 2 蛋白质序列的多核苷酸 ; 0019 3) 在高严谨条件下可与序列表中 SEQ ID : 1 限定的 DNA 序列杂交的核苷酸序 列。 0020 上述高严谨条件。

14、可为在 0.1SSPE( 或 0.1SSC), 0.1 SDS 的溶液中, 在 65下 杂交并洗膜。 0021 其中, 序列表中的SEQ ID : 1由465个脱氧核苷酸组成。 自序列表中SEQ ID : 1 的 5 端的第 1 至 465 位核苷酸为 Gene2_SOD 的开放阅读框 (Open Reading Frame, ORF), 序列表中序列 1 编码序列表中序列 2 的核苷酸序列。 0022 含有本发明基因的重组表达载体、 转基因细胞系及宿主菌均属于本发明的保护范 围。 0023 本发明的抗寒基因以南极鳕鱼 (Dissostichus mawsoni) 这个特殊的物种为研究 材料,。

15、 利用 cDNA 文库的构建和测序的技术发现并利用 RT-PCR 的方法获得全长序列。将本 发明的抗寒基因转入烟草中, 获得了可稳定表达本发明的抗寒基因的转基因烟草, 经过低 说 明 书 CN 101402679 B3/8 页 5 温实验表明, 转入本发明抗寒基因的烟草在低温 (4 ) 下生长 20 天仍保持旺盛的生长状 态, 没有萎蔫, 证实本发明的抗寒基因具有抗寒功能, 可转入植物中提高植物的抗寒性。对 改善植物, 特别是粮食和经济作物的耐寒品质, 提高其抵抗自然低温灾害的能力对我们经 济发展有着重要的现实意义。 附图说明 0024 图 1 为 pCAPE3 的结构示意图。 0025 图 。

16、2 为野生型植株荧光鉴定照片。 0026 图 3 为转 pCAPE3 烟草植株荧光鉴定。 0027 图 4 为转基因烟草 RT-PCR 鉴定电泳图。 0028 图 5 为 4处理 20 天的转 pCAPE-SOD 烟草和对照的表型。 0029 图 6 为 23恢复生长 15 天表型的转 pCAPE-SOD 烟草和对照的表型。 0030 图 7 为图 7 为正常培养 30 天和在 4 度处理 20 天转 pCAPE-SOD 烟草和对照的 Fv/ Fm 值。 具体实施方式 0031 下述实施例中的实验方法, 如无特别说明, 均为常规方法。 0032 下述实施例中的百分含量, 如无特别说明, 均为质。

17、量百分含量。 0033 实施例 1、 抗寒基因及其编码蛋白的获得及其抗寒应用 0034 一、 本发明的抗寒基因及其编码蛋白的获得 0035 本发明的发明人通过构建了南极鳕鱼 (Dissostichus mawsoni) 的 cDNA 文库, 并 对该文库的 EST 序列进行了大规模测序, 最后通过序列拼接和 BLAST 分析得到了一系列感 兴趣的基因, 并对其中一个可能具有抗寒功能的基因进行分析研究, 并按照下述方法获得 该基因的序列。 0036 设计扩增引物, 引物序列如下所示 : 0037 上游引物 SOD_F : 5 -CGCGAGCTCATGGTTATGAAAGCTGTGTG-3 ( 。

18、下划线标注的是 SacI 酶识别位点 ) ; 0038 下游引物 SOD_R : 5 -CGCGAATTCTTACTGGGCGATGCCGATG-3 ( 下划线标注的是 EcoRI 酶识别位点 )。 0039 利用 TRIZOL 试剂提取南极鳕鱼 (Dissostichus mawsoni)(Karl-HermannKockl, Keith Reid, John Croxall and Stephen Nicol 2007 Fisheries in the Southern Ocean : an ecosystem approach Phil.Trans.R.Soc.B 362, 2333-2。

19、349, 中国科学院遗传与发育生 物学研究所 ) 的肝脏 RNA, 以此 RNA 为模板, 反转录得到第一链 cDNA, 反转录具体方法如下 所述 : 0040 在 EP 管中加入 Random Primers 1.0l(100ng), 南极鳕鱼 (Dissostichusmawsoni) 的肝脏 RNA 2.0l(5g), dNTP mix(10mM)1.0l, 水 (RNA-free)8.0l ; 在 65温育 5min, 至于冰上 5min, 然后加入 5first-strand Buffer 4.0l, DTT(0.1M) 2.0l, Rnaseout(40U/l) 1.0l, 混匀后。

20、, 25放置 2min ; 加入 1.0l SuperSeripteII RT 轻轻混匀, 25下放置 10min。将混合物置于 42反应 50min, 说 明 书 CN 101402679 B4/8 页 6 置于 70下加热 15min 终止反应, 即得第一链 cDNA。 0041 以此 cDNA 为模板, 在引物 SOD_F 和引物 SOD_R 的引导下, 用常规 PCR 法扩增抗寒 基因的 cDNA 序列。 0042 其中, 反应体系 (50l 体系 ) 为上述获得的含第一链 cDNA 的反应液 2l, 10buffer5l, dNTP混合液(25mM)2l, SOD_F(10M)2l,。

21、 SOD_R(10M)2l, Taq DNA 聚合酶 (2.5U/l)0.5l, 灭菌水 36.5l。 0043 反应程序为 : 95预变性 5min ; 然后 95变性 30s, 56退火 30s, 72延伸 1min 进行 35 个循环 ; 最后 72延伸 10min, 4下保存。 0044 反应结束后, 对 PCR 扩增产物进行 1琼脂糖凝胶电泳检测, 回收并纯化得到 465bp 的 DNA 片段, 将该片段进行测序, 结果表明, PCR 扩增得到的片段具有序列表中序列 1 的核苷酸序列, 将其命名为Gene2_SOD。 序列表中序列1的核苷酸序列是由465个脱氧核苷 酸组成, 自序列表。

22、中序列 1 的 5 端第 1-465 位核苷酸序列为编码序列 (ORF), 编码具有序 列表中序列 2 的氨基酸残基序列的蛋白质。将该蛋白命名为 SOD。 0045 二、 利用本发明的抗寒基因及其编码蛋白提高植物抗寒性的应用 0046 1、 可在植物中表达本发明的抗寒基因的重组表达载体的构建 0047 将 pCAPE2 来自 PEBV-VIGS 载体系统 ( 由两个 T-DNA 质粒 (pCAPE1, pCAPE2) 组 成 ), Constantin, G.D., B.N.Krath, S.A.MacFarlane, M.Nicolaisen, I.E.Johansen, and O.S.L。

23、und.2004.Virus-induced gene silencing as a tool for functional genomics in alegume species.Plant J 40 : 622-631 ; 中国科学院遗传与发育生物学研究所 ) 进行了改 造, 增加了 MluI、 EcoRI、 SalI、 SacI、 NcoI 酶识别位点。具体的改造方法为 : 合成含有上述 酶切位点的核苷酸片段 CACCATGGCTAGCACGCGTCCTGAGCTCATGGTGAGCAAGGGCGA, 将该片段插 入到 pCAPE2 的 NcoI 和 EcoRI 酶切位点之间, 得到重组。

24、质粒。将鉴定正确的增加了 MluI、 EcoRI、 SalI、 SacI、 NcoI 酶识别位点的重组质粒命名为 pCAPE3( 其结构示意图如图 1 所 示 )。 0048 按照步骤一的方法扩增 Gene2_SOD 基因, 然后用 SacI 和 EcoRI 双酶切后, 将酶切 得到 Gene2_SOD 基因片段插入到 pCAPE3 的 SacI 和 EcoRI 酶切位点之间得到重组载体, 将 该重组载体进行酶切和测序鉴定, 将鉴定正确的含有 Gene2_SOD 基因片段的重组载体命名 为 pCAPE-SOD。 0049 2、 利用本发明的抗寒基因及其编码蛋白提高烟草抗寒性 0050 1) 转。

25、 pCAPE-SOD 烟草的获得 0051 分别 pCAPE1、 pCAPE3, 及 pCAPE-SOD 转农杆菌 GV3101( 购自 promega 公司 ) 后, 鉴 别, 挑取转化成功的克隆, 划线 28培养过夜, 提取质粒进行酶切和测序鉴定, 将鉴定表明 正确的含有pCAPE1的工程菌株命名为GV-pCAPE1, 将鉴定表明正确的含有Pcape3的工程菌 株命名为 GV-pCAPE3, 将鉴定正确的含有 pCAPE-SOD 的工程菌株命名为 GV-pCAPE-SOD ; 0052 挑取上述 GV-pCAPE1、 GV-pCAPE3 或 GV-pCAPE-SOD 分别接种到 5ml 添。

26、加 50mg/L 利 福平 (Rif) 和 50mg/L 卡那霉素 (Kana) 的 LB 培养基中 28培养过夜 ; 然后将培养过夜的 菌液分别转接到 50ml 添加 50mg/L 利福平 (Rif)、 50mg/L 卡那霉素 (Kana)、 20M 乙酰丁香 酮 (Acetosyringone) 和 10mM2-(N- 吗啉 ) 乙磺酸 (MES) 的 LB 培养基中, 28培养过夜 ; 0053 离心收集上述 GV-pCAPE1、 GV-pCAPE3 或 GV-pCAPE-SOD 菌液, 然后重悬在添加了 说 明 书 CN 101402679 B5/8 页 7 10mM MgCl2、 1。

27、0mM2-(N- 吗啉 ) 乙磺酸 (MES)+200M 乙酰丁香酮 (Acetosyringone) 的 LB 培养基中, 调 OD600 2.0, 在室温下静置 3 小时得到 OD600为 2.0 的 GV-pCAPE1、 GV-pCAPE3 或 GV-pCAPE-SOD 菌液。 0054 将 上 述 获 得 的 OD600为 2.0 的 GV-pCAPE1 菌 液 分 别 与 GV-pCAPE3 菌 液 或 GV-pCAPE-SOD 菌液按照 1 : 1 的体积比混合, 得到 GV-pCAPE1 与 GV-pCAPE3 的混合菌液和 GV-pCAPE1 与 GV-pCAPE-SOD 的混。

28、合菌液。 0055 将本氏烟 (Nicotiana benthamiana, 购自中国农业科学院烟草研究所 ) 播种于蛭 石中, 在 25培养间内, 16 小时光照, 8 小时黑暗培养, 长到 5-6 片展开叶时用于农杆菌注 射。将上述得到的 GV-pCAPE1 与 GV-pCAPE3 的混合菌液或者 GV-pCAPE1 与 GV-pCAPE-SOD 的混合菌液分别注射上述 5-6 片展开叶的烟草, 注射时要注射近轴端的嫩叶。将注射后的 烟草于 23 度, 40湿度, 16 小时光照 /8 小时黑暗温室下培养 25 天得到转 pCAPE-SOD 烟草 或转 pCAPE3 烟草。 0056 2)。

29、 转 pCAPE-SOD 烟草的鉴定 0057 A、 转 pCAPE3 烟草的鉴定 0058 将步骤1)得到的转pCAPE3烟草进行表达情况荧光鉴定, 具体方法为 : 取1平方厘 米转pCAPE3烟草和野生型烟草本氏烟(Nicotiana benthamiana)(作为野生型对照, WT)叶 片, 的烟草叶片, 置于盖玻片上, 滴蒸馏水一滴, 压片, 置于激光共聚焦显微镜下观察, 转入 pCAPE3 和 pCAPE1 的阳性植株在激光共聚焦显微镜的 470nm 激发下显示绿色荧光 ; 同时用 激光共聚焦显微镜观察转 pCAPE3 烟草和野生型烟草本氏烟 (Nicotiana benthamia。

30、na) 的 叶绿体荧光作为对照。结果如图 2 和图 3 所示, 结果表明有 6 株转 pCAPE3 烟草全部为成功 转入 pCAPE3 和 pCAPE1 并且可在烟草中正常表达的转基因烟草。图 2 中, A 为野生型烟草的 GFP 荧光照片, B 为野生型烟草的叶绿体荧光照片, C 为 A 和 B 所示荧光的重叠。图 3 中, A 为转 pCAPE3 烟草的 GFP 荧光照片, B 为转 pCAPE3 烟草的叶绿体荧光照片, C 为 A 和 B 所示 荧光的重叠。 0059 B、 转 pCAPE-SOD 烟草的鉴定 0060 将上述步骤 1) 得到的转 pCAPE-SOD 烟草通过 RT-PC。

31、R 的鉴定, RT-PCR 的引物为 : 0061 上游引物 SOD-up : TGTTGAAAGGAGCTGGAGAGGC ; 0062 下游引物 SOD-down : TACTGGGCGATGCCGATGACT。 0063 以步骤1)获得的转pCAPE-SOD烟草的第一链cDNA模板为模板进行PCR扩增反应。 同时以 26S rRNA 作为对照, PCR 扩增引物为 5 端上游引物为 : GAAGAAGGTCCCAAGGGTTC ; 3 端下游引物为 : TCTCCCTTTAACACCAACGG。 0064 其 中, 反 应 体 系 (50l 体 系 ) 为 含 转 pCAPE-SOD 烟。

32、 草 的 第 一 链 cDNA 的 反 应 液 2l, 10buffer 5l, dNTP 混 合 液 (25mM)2l, SOD-up(10g/L)2l, SOD_ down(10g/L)2l, Taq DNA 聚合酶 (2.5U/l)0.5l, 灭菌水 36.5l。 0065 反应程序为 : 95预变性 5min ; 然后 95变性 30s, 56退火 30s, 72延伸 1min 进行 35 个循环 ; 最后 72延伸 10min, 4下保存。 0066 反应结束后, 对 PCR 扩增产物进行 1琼脂糖凝胶电泳检测, 440bp 的 DNA 片段即 是目标片段。 0067 结果如图 4 。

33、所示, 结果表明 6 株转 pCAPE-SOD 烟草中 Gene2_SOD 基因已全部成功 说 明 书 CN 101402679 B6/8 页 8 通过 pCAPE-SOD 转入烟草中并在转 pCAPE-SOD 烟草中正常表达。 0068 3、 转 pCAPE-SOD 烟草的抗寒性鉴定 0069 将步骤 2 鉴定阳性的转 pCAPE3 烟草 ( 对照 )、 转 pCAPE-SOD 烟草和烟草本氏烟 (Nicotiana benthamiana, 购自中国农业科学院烟草研究所 ) 的种子萌发后生长 25 天, 然 后分别置于 4, 16h 光照 /8h 黑暗, 生长 20 天, 然后再 23, 。

34、16h 光照 /8h 黑暗, 恢复生长 15 天, 同时设置在 23, 16h 光照 /8h 黑暗的条件下生长, 其余条件于上述相同的转 pCAPE3 烟草 ( 对照 )、 转 pCAPE-SOD 烟草和野生型烟草作为阳性对照。在培养的过程中对植株进 行表型观察。如图 5 所示, 转基因烟草在 4, 16h 光照 /8h 黑暗, 生长 20 天后, 对照组植 株 ( 转 pCAPE3 烟草, 图 5 中对照 ) 有明显的冷伤害的表型, 植株精干弯曲, 叶片萎靡, 而转 pCAPE-SOD 烟草 ( 图 5 中 Gene2_SOD) 则在 4低温处理后生长依旧良好, 低温处理并没有 导致其有不良。

35、反应。在植株 4冷处理 20 天后, 置于 23, 16h 光照 /8h 黑暗, 恢复生长 15 天后其表型如图 6 所示, 可以看到, 对照组植物 ( 图 6 中对照 ) 在冷处理受到低温伤害后再 置于正常温度下培养, 依旧不能恢复到正常的生长状态, 说明 4的低温处理对烟草的伤害 是永久性的, 不可恢复的, 而转pCAPE-SOD烟草(图6中Gene2_SOD), 4冷处理20天后, 置 于 23恢复生长 15 天后, 植株能够继续正常生长发育, 没有表现出任何低温所造成的伤害 性状。 0070 为了进一步证实转基因植株的抗寒能力, 我们进一步测定了上述转 pCAPE-SOD 烟 草在正常。

36、培养 30 天和在 4 度处理 20 天的光合作用系统 II 光化学效率 (Fv/Fm) 这一生理 指标 (Tarantino, D., Vianelli, A., Carraro, L.and Soave, C.(1999)A nuclear mutantof Arabidropsis thaliana selected for enhanced sensitivity to light-chill stress is altered inPS II electron transport activity.Physiol.Plant.107, 361-371.), 以 转 pCAPE3 烟草。

37、为对照。结果如图 7 所示, 实验数据表明对照组植株的 FV/Fm 下降明显, 而 转 pCAPE-SOD 烟草植株 FV/Fm 下降很小, 说明实验组转 Gene2_SOD 烟草植株对低温有明显 的抗性。表明 Gene2_SOD 具有抗寒的功能。 0071 序列表 0072 160)2 0073 1 0074 465 0075 DNA 0076 南极鳕鱼 (Dissostichus mawsoni) 0077 1 0078 说 明 书 CN 101402679 B7/8 页 9 0079 2 0080 154 0081 PRT 0082 南极鳕鱼 (Dissostichus mawsoni) 0083 2 0084 0085 说 明 书 CN 101402679 B8/8 页 10 说 明 书 CN 101402679 B1/3 页 11 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 101402679 B2/3 页 12 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 101402679 B3/3 页 13 图 6 图 7 说 明 书 附 图 。

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